第四章 高速铁路供电监控系统执行端

第四章高速铁路供电监控系统被控站第一节高速铁路供电监控系统被控站的分类及其特点高速铁路供电系统分为牵引供电和电力配电两大部分。牵引供电系统是指为电力机车提供牵引动力的供电系统，其中主要的供电设备包括：牵引变电所、分区所、开闭所、AT所和接触网开关。电力配电系统是指承担除电力机车以外所有地面行车设施的供电任务，包括通信系统、信号系统、通信基站、中继站、车站、供水系统以及生活等铁路用电负荷，其中主要的供电设备包括：电力变配电所、箱式变电所、环网柜以及10/0.4kV的低压配电盘。针对牵引供电和电力配电两大部分监控的对象，在牵引供电远动系统中包含了对牵引变电所亭（开闭所、分区所、AT所）监控的被控站和对接触网开关监控的被控站两种类型。在电力配电远动系统包含了对电力变配电所监控的被控站和对铁路沿线各箱式变电所、车站低压供电电源监控的被控站。下面我们分别针对这五种监控特点进行介绍。第二节牵引变电所及电力变配电所综合自动化系统变电所自动化系统是将变电所的二次设备（包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对变电所设备的监视、控制、测量和保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。一、变电所自动化系统的功能在变电所自动化系统的研究和发展过程中，对变电所自动化系统应包括哪些功能和要求曾经有不同的看法，通过实际应用的不断总结和技术发展趋势，目前这些看法已逐步接近。当然，随着技术进步，对变电所自动化系统的功能要求还会不断增加。国际大电网会议WG34.03工作组在研究变电所的数据流时，分析了变电所自动化需要完成的功能大概有63种，归纳起来可以分为以下7个功能组：控制监视功能、自动控制功能、测量表计功能、继电保护功能、与继电保护有关的功能、接口功能、系统功能。变电所自动化系统按照以上功能的不同分为3个硬件子系统：1．监控子系统，监控系统取代常规的测量系统，取代指针式仪表；改变常规的操作机构和模拟盘，取代常规的报警、中央信号、光字牌以及RTU装置等。2．继电保护子系统，继电保护子系统应满足快速性、选择性、灵敏性和可靠性的要求，其工作不受监控子系统和其他子系统的影响。继电保护子系统满足如下要求：故障记录功能、统一时钟对时功能，以便准确记录发生故障和保护动作的时间、存储多种保护整定值、当地显示与多处观察和授权修改保护整定值、故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。每个保护单元应有完善的故障自诊断功能，发现内部有故障，能自动报警，并能指明故障部位，以利于查找故障和缩短维修时间，对于关键部位故障，例如A/D转换器故障或存储器故障，则应自动闭锁保护出口。如果软件受干扰，造成“跑飞”的软故障，应有自启动功能，以提高保护装置的可靠性。牵引变电所继电保护子系统应包括牵引变电所主要设备的全套保护，主要包括：变压器主保护、变压器后备保护、馈线保护、电容器保护、动力变保护等。铁路电力变配电所继电保护子系统主要包括：自闭贯通线保护、变压器主保护、变压器后备保护、馈线保护、进线保护、电容器保护、母联保护、调压器保护等。3．通信子系统，通信子系统包括系统内部现场级的通信和系统与上级调度的通信两部分。现场级的通信主要解决系统内部各个子系统与监控子系统之间、各个子系统间的数据通信和信息交换问题，它的通信范围是变电所内部。自动化系统必须兼有RTU的全部功能，应该能够将所采集的模拟量、开关状态以及事件顺序记录等信息远传至上级调度；同时应该能接收上级调度下达的各种操作、控制命令。二、变电所自动化系统的体系结构变电所自动化技术随着集成电路技术、计算机技术、通信技术的发展，其体系结构也不断变化，性能、功能及可靠等也在不断提高。在变电所自动化系统发展的初期出现过集中式的结构，而目前主要采用分层分布式结构。（一）分层分布式结构概念随着单片机技术和通信技术的发展，单片机的性能价格比越来越高，外围电路设计越来越简单，整个微机系统的尺寸不断缩小，功能确越来越强大，使研制者有条件将微机保护单元和数据采集单元按一次回路进行设计。所谓分布式结构，是在结构上采用主从CPU协同工作方式，各功能模块（通常是各个从CPU）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信。如牵引供电系统中的馈线保护主要包括电流速断保护、过电流保护、电流增量保护、反时限过负荷保护、三段距离保护、一次自动重合闸等功能，所有的这些保护功能可由一个CPU单独完成。这样，一条馈线的保护可以配置一套微机保护装置完成，多条馈线则配置多套微机保护装置，微机保护装置再通过通信接口和监控子系统进行信息交换，一套保护装置故障不会影响其它装置的正常运行。变电所自动化系统的分层分布式设计就是将变电所自动化系统需要完成的功能由多个微机系统来完成，对监控子系统来说是选择商用计算机或工控机来作为监控的平台，微机保护子系统则由不同功能的微机保护装置组成，全所的继电保护功能被分配到多个微机保护装置。（二）变电所自动化系统分布分层结构的概述在分层分布式结构中，变电所自动化系统按照设备的功能被分为三层：变电所层、间隔层、过程层（或称设备层）。变电所自动化系统的分层结构如图4.1。过程层主要指变电所内的变压器、断路器、隔离开关及其辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。间隔层一般按断路器间隔划分，包括测量、控制部件和继电保护装置。变电所层包括监控主机、远动管理机等。变电所层和间隔层设通信网络，供各设备之间交换信息。间隔层是由各种不同的单元装置组成，这些独立的单元装置通过通信网络与变电所层联系。间隔层按一次设备组织，一般按断路器的间隔划分，具有保护、测量、控制部分，由单元装置来完成这些功能。分层分布即结构分层、功能分布，本章的后面将结合网络结构对变电所层和间隔层的设备和功能进行详细的分析。监控子系统远动管理机保护、测控设备保护、测控设备调度中心通信网络变电所层间隔层过程层/一次设备图4.1变电所自动化系统分层结构（三）变电所自动化系统分层分布式结构的几种方式不同时期、不同电压等级的变电所自动化系统，分层分布式的结构有以下三种形式：1、系统集中组屏集中组屏的结构是把整套自动化系统按其不同的功能组装成多个屏（或称柜），例如：变压器保护屏（完成变压器的保护、测量、控制功能）、馈线保护屏（完成一条或多条馈线的保护、测量、控制功能）、并补保护屏（完成电容器的保护、测量、控制功能）.图3.2是典型的牵引供电变电所的集中组屏的系统结构图。远动管理机调度中心监控子系统1#主变保护测控屏2#主变保护测控屏馈线保护测控屏并补保护测控屏动力变保护测控屏通信网络变电所层间隔层过程层/一次设备图4.2集中组屏的牵引供电变电所综合自动化结构图图4.3是典型的铁路配电所的集中组屏的系统结构图。间隔层通信网络当地监控主机远程通信单元调度端以太网GPS天线调压器保护测控单元公用测控单元母联保护测控及备自投单元电容器保护测控单元自闭贯通线保护测控单元进线保护测控单元馈线保护测控单元……图4.3集中组屏的铁路配电所综合自动化结构图当地监控主机和远动通信装置可以采用控制台的方式，亦可采用集中组屏的方式，有人值班变电所的当地监控一般采用控制台的方式，为了减少控制室的占地面积，牵引供电变电所当地监控大多采用组屏的方式，所有当地监控主机和远动通信相关设备组装在一面屏体上。集中组屏结构中，所有的变电所层、间隔层二次设备都放在控制室内，二次设备的工作条件较好，管理和维护方便，其主要的缺点是安装时电缆都要拉到控制室，导致电缆较多，增加了电缆的投资。2、分散安装与集中组屏相结合分散与集中相结合的结构形式是目前国内外最为流行、受到广大用户欢迎的一种自动化系统。它是采用“面向对象”即面向电气一次回路或电气间隔(如一条馈线、一台变压器、一组电容器等)的方法进行设计的，间隔层中保护测控装置就地分散安装在开关柜上或其他一次设备附近。这样各间隔单元的设备相互独立，变电所层设备仅通过光纤网络对间隔单元进行管理和交换信息。这是将功能分布和物理分散二者有机结合，对变电所二次系统进行优化设计的结果。通常能在间隔层内完成的功能(如保护功能)一般不依赖通信网络。这样组态模式集中了分布式的全部优点，此外还最大限度地压缩了二次设备及其繁杂的二次电缆，减少控制室占地面积，节省土地投资。这种结构形式本身配置灵活，从安装配置上除了能分散安装在间隔开关柜上以外，还可以实现在控制室内集中组屏或分层组屏，图4.4是牵引变电所分散安装与集中组屏的应用模式。远动管理机调度中心监控子系统1#主变保护测控屏2#主变保护测控屏开关柜馈线保护测控装置开关柜并补保护测控装置开关柜动力变保护测控装置通信网络变电所层间隔层过程层/一次设备间隔单元开关柜。。。。图4.4牵引变电所分散安装和集中组屏的结构图图中在牵引变电所中馈线、并补的保护、测控单元分散安装在高压室一次设备的开关柜上，变压器由于在室外，分散安装的条件不具备，可与当地监控单元、交直流设备等在控制室集中组屏，也可在变压器旁就地安装。分散安装和集中组屏不仅适合应用在各种电压等级的变电所中，而且若在高压变电站中应用将更趋于合理，经济效益更好。这种结构形式有如下特点：1.线路的保护采用分散式结构，就地安装，节约控制电缆，通过网络和变电所层交换信息。2.高压线路保护和变压器保护采用集中组屏结构．保护屏安装在控制室或保护室中，同样通过网络和变电所层交换信息，使这些重要的保护装置处于比较好的工作环境，对可靠性比较有利。3.简化了变电所二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积，也有利于无人值班。4.简化了变电所二次设备之间的互连线，节省了大量连接电缆。5.分层分散式结构可靠性高，组态灵活，检修方便。分层分散式结构，由于分散安装，减小了电流互感器的负担。各模块与变电所层通过网络连接，抗干扰能力强，可靠性高。3、全分散模式全分散式的自动化系统是指以变压器、断路器、母线等一次主设备为安装单位，将保护、测量、控制、闭锁等功能单元就地分散安装在一次主设备的开关柜上，安装在主控制室内的变电所层设备通过网络与这些分散的单元进行信息交换。在铁路的电力变配电所中已经实现了全分散的安装模式，新建设的客运专线的变配电所大都按照全分散的模式进行设计，所有的保护测控装置都安装于一次设备的开关柜上，这些装置通过网络和控制室的变电所层交换信息，图4.5是铁路电力配电所的全分散安装的结构图。远动管理机调度中心监控子系统开关柜1#进线保护测控装置开关柜调压器保护测控装置开关柜馈线保护测控装置开关柜自闭贯通线保护测控装置开关柜母联保护测控装置通信网络变电所层间隔层过程层/一次设备间隔单元开关柜。。。。开关柜并补保护测控装置图4.5铁路电力配电所全分散安装结构图目前变电所自动化系统的功能和结构都在不断地向前发展，全分散式的结构一定是今后发展的方向，主要原因：一方面是由于分层分散式的自动化系统的突出优点；另一方面是随着新设备、新技术的进展如电子式互感器和光纤通信技术的发展，使得原来只能集中组屏的高压线路保护装置和主变压器保护也可以考虑安装于高压场附近，并利用日益发展的光纤技术和局域网技术，将这些分散在各开关柜的保护和集成功能模块联系起来，构成一个全分散化的自动化系统，为变电所实现高水平、高可靠性和低造价的无人值班创造更有利的技术条件。三、变电所综合自动化系统网络结构变电所自动化系统是由二次智能设备和通信设备构成的网络，智能设备的多少和变电所的规模、厂家具体设计有关。变电所自动化系统的功能和网络结构形式随计算机技术和通信技术的发展也在不断的变化过程中。变电所自动化系统的变电所层网络目前都采用以太网，网络结构中的不同之处主要是在间隔层设备。（一）现场总线的网络结构形式早期变电所自动化系统智能装置的通信接口一般为RS232/RS485、或现场总线，为了和当地监控系统的计算机通信，都需要使用通信管理机来完成通信接口的转换。这里给出3个具有不同特点的现场总线的网络结构形式。1．通过网关进行通信接口的转换图4.6是电力系统中采用的变电所自动化系统的网络一个示例。192021222324131415